Overzicht van basisverlichtingsmaterialen
De ontwikkeling van moderne verlichting is onlosmakelijk verbonden met de evolutie en innovatie van basismaterialen voor verlichting. Van de oorspronkelijke traditionele materialen tot de veelgebruikte nieuwe materialen van vandaag, heeft de wetenschappelijke toepassing van verlichtingsmaterialen de prestaties en levensduur van armaturen aanzienlijk verbeterd. Deze materialen vertonen superieure eigenschappen onder verschillende temperaturen en bedrijfsomstandigheden en vormen een cruciale drijvende kracht achter de vooruitgang in verlichtingstechnologie.
▣ Materiaalclassificatie
▣ Vulstoffen en afdichtingsmaterialen
In conventionele lagetemperatuurgebieden (<140 ℃) worden traditionele materialen zoals indigoharsen, neopreenrubber, EPDM-schuimrubber en spuitgegoten polyurethaanschuim veel gebruikt. Voor hogetemperatuurgebieden (<200 ℃) zijn echter geëxtrudeerde, gegoten of gesneden siliconenharsen vereist. De laatste jaren zijn spuitgegoten reactiemethoden de nieuwste innovatie geworden, waardoor naadloze, hoogwaardige afdichtingen mogelijk zijn. Traditionele en nieuwe vulstoffen worden in verschillende temperatuurgebieden gebruikt voor mechanische verbindingen en afdichtingen.
Gedurende de levensduur van de lamp moet de lampvoetplamuur een betrouwbare mechanische verbinding bieden tussen verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten en verschillende lampmaterialen. Het materiaal dat wordt gebruikt om de metalen lampvoet aan de glazen bol te bevestigen, is doorgaans een mengsel van ongeveer 90% marmerpoedervuller met fenolhars, natuurhars en siliconenhars. Om de keramische lampvoet aan de behuizing van de lamp van gesmolten silicium te bevestigen, is soldeerpasta met een hoger smeltpunt nodig, waarvan het hoofdbestanddeel een mengsel is van siliciumdioxide en anorganische bindmiddelen zoals natriumsilicaat.
▣ Gassen De primaire gassen die in lampen worden gebruikt, als componenten van lucht, worden meestal verkregen door middel van fractionele destillatie. Deze gassen worden niet alleen gebruikt om verschillende fysische en chemische processen te regelen, maar ook om licht te genereren. Tijdens de werking van de lamp verhoogt de hoge temperatuur de chemische reactiviteit van veel lampmaterialen aanzienlijk, wat mogelijk leidt tot ernstige schade aan de structurele materialen van de lamp. Om dit te voorkomen, moet de lampstructuur worden beschermd door oxidatie en corrosie te beheersen. Een veelgebruikte methode is het gebruik van inerte of niet-reactieve gassen om de werkomgeving in de lamp te handhaven.
Fysische processen zoals verdamping en sputteren verkorten de levensduur van kritische componenten zoals de gloeidraad en elektroden. Wanneer de lamp echter gevuld is met inert gas en de gasdichtheid voldoende hoog is, wordt de schadelijkheid van deze processen aanzienlijk verminderd. Hoewel krypton met hoge dichtheid in sommige gloeilampen kan worden gebruikt om warmtegeleiding te verminderen en verdamping van de wolfraamgloeidraad te onderdrukken, waardoor de levensduur van de lamp wordt verlengd, wordt argon in praktische toepassingen doorgaans als vulgas gebruikt.
Stikstofmoleculen hebben het vermogen om de vorming van destructieve bogen tussen componenten met verschillende potentialen in de lamp te voorkomen; daarom bestaat het vulgas voor lampen meestal uit stikstof of een mengsel van stikstof en de inerte gassen argon en krypton. In gasontladingslampen worden monomoleculaire gassen zoals argon, neon en xenon gebruikt als hulpgassen voor het initiëren van de ontlading. Bovendien spelen metaalhalidegassen ook een unieke rol in gasontladingslichtbronnen.
Door de extreem hoge bedrijfstemperaturen van de lampen zijn bepaalde kritische componenten in de lamp zeer gevoelig voor sporen van oxiderende en met koolstof gedoteerde gassen, waaronder zuurstof, koolmonoxide, kooldioxide, koolwaterstoffen en waterdamp. In de meeste lampen wordt het gehalte aan deze schadelijke verontreinigingsgassen doorgaans strikt gecontroleerd en mag het slechts enkele deeltjes per miljoen van het totale vulgas bedragen.
▣ Getter-materialen
Tijdens de werking van de lamp bereiken componenten zoals de gloeidraad en de elektroden extreem hoge temperaturen. Deze componenten zijn zeer gevoelig voor omringende gassen en reageren gemakkelijk met restzuurstof, waterdamp, waterstof en koolwaterstoffen, wat de prestaties van de lamp beïnvloedt. Daarom moeten maatregelen worden genomen om deze restgassen te elimineren of te verminderen. Gettermaterialen verwijderen restgassen uit de lamp met behulp van metalen of niet-metalen materialen, waardoor de prestaties van de lamp behouden blijven.
Een getter is een materiaal dat speciaal is ontworpen om onzuiverheden uit de lampbehuizing of -buis te verwijderen na het afdichten. Gettermaterialen worden over het algemeen ingedeeld in twee typen: verdampingsgettermaterialen en volumetrische gettermaterialen. Verdampingsgettermaterialen worden gebruikt nadat vacuümapparaten zijn afgedicht. Ze werken door een actief metaal snel te verhitten of onmiddellijk te verdampen, waardoor een dunne afzetting of film op geselecteerde componenten ontstaat om gas te verwijderen. Volumetrische gettermaterialen daarentegen worden vaak in de lamp geplaatst in de vorm van metaaldraden, structurele componenten of semi-losse afzettingen. Ze absorberen gassen wanneer de temperatuur stijgt en blijven effectief gedurende de gehele levensduur van de lamp.
Veelgebruikte gettermetalen zijn onder andere barium, tantaal, titanium, niobium, zirkonium en hun legeringen. Daarnaast verwijdert fosfor, een niet-metalen gasverwijderaar, effectief sporen van zuurstof en waterdamp uit het inerte gas in de bol en wordt daarom al lange tijd veel gebruikt.
▣ Glas en kwartsglas
Commercieel geproduceerd glas kan worden onderverdeeld in drie hoofdcategorieën: natrium-calciumsilicaat, lood-alkalisilicaat en borosilicaat. Natrium-calciumsilicaatglas wordt het meest gebruikt in de verlichtingsindustrie. De keuze van het glastype hangt af van de temperatuurvereisten, het behoud van luchtdichtheid en elektrische prestaties.
Lood-alkalisilicaatglas wordt voornamelijk gebruikt voor de productie van interne componenten van gewone gloeilampen en fluorescentielampen. Voor conventionele spots en hoogvermogen-ontladingslampen met hogere bedrijfstemperaturen is borosilicaatglas vereist. Kwartsglas heeft een hoge transparantie, is uitstekend bestand tegen thermische schokken en is bestand tegen hoge temperaturen, met bedrijfstemperaturen tot 900 graden Celsius.
Luchtdichtheid is een belangrijke indicator bij de keuze van glasmaterialen voor lampen. Het glas moet de eigenschap hebben om spanningsvrij af te dichten met metalen om de luchtdichtheid en stabiliteit van de lamp op lange termijn te garanderen. Bovendien moeten de soortelijke weerstand, de diëlektrische constante en het diëlektrisch verlies van het glas voldoen aan de vereiste elektrische prestatie-eisen.
▣ Keramische materialen
Bij hoge temperaturen en hoge druk corrodeert silicahoudend glas gemakkelijk door alkalimetaaldampen, waardoor materialen nodig zijn die bestand zijn tegen chemische corrosie. Keramiek wordt gebruikt vanwege de hoge temperatuur- en corrosiebestendigheid en de hoge mechanische sterkte en thermische stabiliteit.
Polykristallijne semi-transparante aluminiumoxide (PCA)-buizen zijn een belangrijk onderdeel bij de productie van hogedruknatriumlampen (HPS). Ondanks een wanddikte van slechts 1 mm bereiken ze een totale transmissie van zichtbaar licht van meer dan 90%. Gewone keramische materialen worden, vanwege hun goede mechanische sterkte, thermische schokbestendigheid en uitstekende elektrische isolatie over het bedrijfstemperatuurbereik, vaak gebruikt voor de productie van lamphouders en lampvoeten.
▣ Materialen voor lichtregeling
Reflectoren zijn belangrijke componenten in lichtregulering en worden onderverdeeld in twee typen: reguliere reflectie en spiegelende reflectie. Diffuse reflectie is ook een belangrijke reflectiemethode. Bij de keuze van materialen voor lichtregulering moeten we rekening houden met verschillende factoren, waaronder de optische eigenschappen, sterkte, taaiheid, hittebestendigheid en bestendigheid tegen ultraviolette straling van het materiaal.
Infraroodreflecterende folies zijn een belangrijk materiaal voor lichtregeling dat de efficiëntie van gloeilampen aanzienlijk verbetert door infraroodenergie terug te reflecteren naar de gloeidraad. Meerlaagse oxide-overlaytechnologie wordt ook veel gebruikt bij de productie van infraroodreflecterende folies, die via chemische dampdepositie op het oppervlak van de behuizingen van halogeengloeidraadlampen worden aangebracht. Tegelijkertijd wordt meerlaagse interferentiefiltertechnologie ook gebruikt om de kleur van het licht te veranderen. De selectie van reflecterende materialen zorgt voor een evenwicht tussen optische, mechanische en thermische eigenschappen om de efficiëntie van de lamp te verbeteren.